Bestimmung der molekularen Mechanismen der Rezeptorbindung des Adhäsins FadA aus Fusobacterium nucleatum mittels integrativer Strukturbiologie

• Antragsteller: Professor Dr. Adam Lange; Dr. Daniel Roderer
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biochemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575240064

Eine pathologische Veränderung des Darmmikrobioms kann zu schnellerem Tumorwachstum bei Darmkrebs (CRC) führen. Das gramnegative Fusobacterium nucleatum (Fn) ist oft im Dickdarm von CRC-Patienten überrepräsentiert und sein Auftreten korreliert mit Metastasenbildung und schlechter Prognose. Weiterhin tritt Fn auch im Zusammenhang mit Brustkrebs, Parodontose und Frühgeburten auf. Das Bakterium ist ein starker Biofilmbilder und deswegen ist seine Oberfläche mit Adhäsinen bedeckt. FadA ist eines der wichtigsten Adhäsine für die Besiedlung von Tumoren durch Fn. Es bindet an E-Cadherin als Rezeptor und aktiviert dadurch den β-Catenin-pathway mit unkontrollierter Zellteilung als Folge. Die Struktur von monomerem FadA und seines Leucin-Zipper-Oligomerisierungsmotivs ist bekannt, jedoch gibt es keine hochaufgelösten strukturellen Daten über die Filament-Architektur, die Verteilung der beiden FadA-Komponenten (mFadA und preFadA) innerhalb der Filamente und die Interaktion mit E-Cadherin. Daher sind die molekularen Mechanismen der Bindung von Fn an Krebszellen unbekannt, was eine Hürde für das strukturbasierte Wirkstoff-Design gegen die Bindung von Fusobakterien an Zellen darstellt. Wir schlagen einen integrativen strukturbiologischen Ansatz vor, der Festkörper-NMR (ssNMR) mit Kryo-Elektronenmikroskopie und -tomographie (Kryo-EM, Kryo-ET) kombiniert, um umfassende molekulare Details des Aufbaus von FadA-Filamenten und deren Rezeptorbindung in bisher unerreichter Auflösung zu erhalten. In work package (WP) 1 werden wir den Aufbau von FadA-Filamenten durch die Kombination von NMR-Restraints mit Cryo-EM-Dichte entschlüsseln und die Struktur durch zielgerichtete Mutagenese validieren. In WP 2 werden wir die Struktur des Komplexes von E-Cadherin und FadA mit Hilfe von ssNMR, Kryo-ET und Subtomogramm-Mittelung (STA) bestimmen. Dafür verwenden wir eine vergleichende Analyse von NMR-Daten von FadA in Anwesenheit und Abwesenheit von gebundenem E-Cadherin und korrelieren diese Ergebnisse mit einer STA-Dichtekarte mit mittlerer Auflösung. In WP3 werden wir mit Hilfe von superresolution-Mikroskopie, korrelativer Kryomikroskopie, Kryo-Focused-Ion-Beam-Milling und Kryo-ET die in vitro Strukturdaten aus den WPs 1 und 2 auf ein Krebszellmodell übertragen. Der Antrag basiert auf soliden Vorarbeiten, in denen die Antragsteller Strukturanalysen von FadA-Filamenten mittels Kryo-EM und ssNMR zeigen, einen Komplex von FadA mit E-Cadherin bilden und stabilisieren, diesen in Kryo-ET analysieren, und schließlich die Kultivierung von CRC-Zellen auf Kryo-EM Netzchen zeigen und FadA-Bindung darauf nachweisen. Weiterhin hat das Lange-Labor seine Kompetenz in der integrativen Strukturbiologie von Filamenten mit ssNMR und Kryo-EM unter Beweis gestellt. Unser Projekt wird bahnbrechende molekulare Erkenntnisse über die Tumoradhäsionsmechanismen von Fn liefern und den Weg für die Entwicklung von Therapeutika ebnen, die auf die zugrunde liegenden Protein-Protein-Wechselwirkungen abzielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Christoph Andreas Diebolder; Dr. Martin Lehmann; Professorin Dr. Han Sun